2019-05-14 19:59:02
金星和火星如何教会我们关于地球的知识

一个人有浓厚的有毒气氛,一个人几乎没有任何气氛,一个人的生活正常繁荣 - 但并非总是如此。我们两个邻居维纳斯和火星的气氛可以教会我们很多关于我们这个星球的过去和未来情景。

从现在到行星式建筑场地倒退了46亿年,我们看到所有的行星都有着共同的历史:它们都是从同一个旋转的气体和尘埃云中诞生的,新生的太阳在中心点燃。缓慢但肯定地,在重力的帮助下,灰尘积聚成巨石,最终滚雪球进入行星大小的实体。

岩石材料可以承受最接近太阳的热量,而高瓦斯,冰冷的物质只能存活得更远,分别产生最内层的行星和最外层的气体和冰巨星。残羹剩饭造成了小行星和彗星。

岩石行星的大气层是作为非常有活力的建筑过程的一部分形成的,主要是通过它们冷却时的除气,火山爆发的一些小贡献以及彗星和小行星的少量水,气体和其他成分的输送。随着时间的推移,大气层经历了强烈的演变,这要归功于最终导致当前状态的复杂因素,地球是唯一已知的支持生命的行星,而今天唯一一个表面有液态水的行星。

我们从太空任务中了解到,例如欧洲航天局的维纳斯快车,它在2006年至2014年期间从轨道观测金星,以及自2003年以来调查红色星球的火星快车,液态水也曾在我们的姐妹星球上流过。虽然金星上的水早已沸腾,但在火星上,它要么被埋在地下,要么被锁在冰盖中。与水的故事密切相关 - 最终是关于生命是否能够在地球之外产生的重大问题 - 是行星大气的状态。与之相关的是大气,海洋和地球岩石内部之间的相互作用和材料交换。

行星回收

回到我们新形成的行星,从一个熔岩的球体和一个围着密集核心的地幔,他们说要冷却下来。地球,金星和火星在这些早期都经历了放气活动,形成了第一个年轻,炎热和密集的大气层。随着这些大气层的降温,第一个海洋从天空降下来。

但在某些阶段,三个行星的地质活动特征发生了分歧。地球的固体盖子裂成了板块,有些地方在俯冲带的另一块板块下面潜水,而在其他地方相撞则会产生巨大的山脉或拉开以形成巨大的裂缝或新的地壳。地球的构造板块今天仍然在移动,导致其边界发生火山爆发或地震。

金星只比地球略小,今天仍然可能有火山活动,其表面似乎在最近五亿年前已经被熔岩重新浮出水面。今天它没有可辨别的板块构造系统;它的火山很可能是由穿过地幔的热羽流提供动力 - 这个过程可以比作“熔岩灯”,但规模巨大。

火星比较小,比地球和金星更快地冷却,当它的火山灭绝时,它失去了补充其大气层的关键手段。但它仍然拥有整个太阳系中最大的火山,25公里高的奥林巴斯蒙斯,也可能是由于从下方升起的羽状物连续垂直建造地壳的结果。尽管有证据表明在过去的1000万年内构造活动,甚至在当今偶尔发生的地震,但人们认为地球也不具备类似地球的构造系统。

不仅仅是全球板块构造使地球变得特别,而且与海洋的独特结合。今天,我们的海洋覆盖了大约三分之二的地球表面,吸收并储存了我们星球的大部分热量,并沿着全球各地的水流运输。当一块构造板块被拖入地幔时,它会升温并释放出被困在岩石中的水和气体,而这些水和气体又渗透到海底的热液喷口。

在地球海洋底部的这种环境中发现了极其坚硬的生命形态,提供了关于早期生命如何开始的线索,并向科学家提供了关于在太阳系中其他地方寻找的指示:木星的月亮欧罗巴,或土星冰冷的月球土卫二例如,在冰冷的地壳下隐藏着液态水的海洋,卡西尼等太空任务的证据表明可能存在热液活动。

此外,板块构造有助于调节我们的大气层,在很长的时间尺度内调节地球上的二氧化碳含量。当大气中的二氧化碳与水结合时,会形成碳酸,从而溶解岩石。雨将碳酸和钙带到海洋中 - 二氧化碳也直接溶解在海洋中 - 在那里循环回到海底。在地球近一半的历史中,大气中含有的氧气非常少。海洋中的cynobacteria是第一个利用太阳的能量将二氧化碳转化为氧气的转折点,这是提供更多线路的气氛的转折点,使复杂的生命得以蓬勃发展。如果没有地幔,海洋和大气之间的行星回收和调节,地球可能更像金星。

极端的温室效应

金星有时被称为地球的邪恶双胞胎,因为它的大小几乎相同,但却有浓厚的有毒气氛和470ºC的闷热表面。它的高压和高温足以使铅熔化 - 并摧毁敢于降落的航天器。由于其密集的气氛,它甚至比行星水星更热,水星靠近太阳运行。它与类似地球的环境的巨大偏差经常被用作失控温室效应中发生的事情的一个例子。

太阳系中的主要热源是太阳的能量,它会使行星的表面变暖,然后行星将能量辐射回太空。大气层捕获了一些流出的能量,保留了热量 - 即所谓的温室效应。这是一种有助于调节行星温度的自然现象。如果不是水蒸汽,二氧化碳,甲烷和臭氧等温室气体,地球表面温度将比目前的+15ºC平均值低约30度。

在过去的几个世纪中,人类改变了地球上的这种自然平衡,通过将额外的二氧化碳以及氮氧化物,硫酸盐和其他微量气体以及灰尘和烟雾颗粒排放到空气中,从而加强了自工业活动开始以来的温室效应。对我们星球的长期影响包括全球变暖,酸雨和臭氧层的消耗。气候变暖的后果影响深远,可能影响淡水资源,全球粮食生产和海平面,并引发极端天气事件的增加。

金星上没有人类活动,但研究它的大气提供了一个自然的实验室,可以更好地了解失控的温室效应。在其历史的某个时刻,金星开始捕获太多的热量。曾经有人认为它可以像地球一样容纳海洋,但增加的热量将水转化为蒸汽,而大气中额外的水蒸气则会吸收越来越多的热量,直到整个海洋完全蒸发。金星快车甚至表明,今天水蒸气仍然从金星的大气层逃逸到太空。

维纳斯快车还在地球大气层中发现了一层神秘的高空二氧化硫层。预计火山的排放将产生二氧化硫 - 在任务持续时间内,Venus Express记录了大气中二氧化硫含量的巨大变化。这导致硫酸云和飞沫在海拔约50-70公里处 - 任何剩余的二氧化硫应该被强烈的太阳辐射破坏。因此,对于维纳斯快车来说,在100公里左右发现一层气体是一个惊喜。确定蒸发的硫酸液滴释放出气态硫酸,然后被阳光破碎,释放出二氧化硫气体。

观察增加了讨论,如果将大量二氧化硫注入地球大气层可能会发生什么 - 提出了如何减轻气候变化对地球影响的建议。 1991年菲律宾皮纳图博火山火山喷发证明了这一概念,当时火山喷发的二氧化硫在大约20公里高度产生了小滴浓硫酸 - 就像在金星云中发现的那样。这产生了雾霾层并使我们的地球在全球范围内冷却了大约0.5ºC几年。由于这种雾度反映了热量,因此有人提出降低全球温度的一种方法是将人为的大量二氧化硫注入大气中。然而,皮纳图博火山的自然效果只能提供暂时的降温效果。研究维纳斯巨大的硫酸云滴层提供了一种研究长期效应的自然方法;最初在较高海拔处的保护性雾霾最终将转化为气态硫酸,这是透明的并且允许所有太阳光线通过。更不用说酸雨的副作用,它在地球上会对土壤,植物和水产生有害影响。

全球冻结

我们的另一个邻居,火星,处于另一个极端:虽然它的气氛也主要是二氧化碳,但今天几乎没有任何东西,总的大气量不到地球的1%。

火星现有的大气层很薄,虽然二氧化碳凝结成云,但它不能保留足够的太阳能来维持地表水 - 它会瞬间在地表蒸发。但由于其低压和相对温和的温度为-55ºC(冬季极地从-133ºC到夏季+27ºC),航天器表面不会融化,让我们能够更好地发现它的秘密。此外,由于地球上缺乏回收板块构造,我们的着陆器和探测器可以直接探测其表面40亿年前的岩石。与此同时,我们的轨道飞行器,包括已经调查地球超过15年的火星快车,不断寻找其曾经流动的水域,海洋和湖泊的证据,给人一种曾经支持生命的诱人希望。

由于小行星和彗星的挥发物的输送,以及岩石内部冷却下来的火星排气,红色星球也开始了更浓厚的气氛。由于其较小的质量和较低的重力,它很可能无法保持其大气层。此外,它最初的较高温度会给大气中的气体分子提供更多的能量,使它们更容易逃逸。并且,在其历史早期也失去了它的全球磁场,剩余的大气层随后暴露在太阳风中 - 来自太阳的连续流动的粒子 - 就像金星一样,即使在今天也继续剥离大气层。

随着大气层的减少,地表水向地下移动,只有当冲击加热地面并释放地下水和冰时才会释放出巨大的洪水。它也被锁在极地冰帽中。火星快车最近还发现了一块埋在地表两公里范围内的液态水。生命的证据也可以在地下吗?这个问题是欧洲ExoMars火星车的核心,计划于2020年发射并在2021年降落,钻探地表以下两米,以检索和分析样品以寻找生物标记物。

人们认为火星目前正处于冰河时代。与地球一样,火星对诸如绕太阳公转的旋转轴倾斜等因素的变化很敏感;人们认为,随着行星的轴向倾斜及其与太阳的距离发生周期性变化,地表水的稳定性在数千年到数百万年之间变化。 ExoMars Trace Gas Orbiter目前正在从轨道上调查红色星球,最近在赤道地区探测到水合物质,这些物质可能代表过去行星极地的前位置。

跟踪气体轨道器的主要任务是对行星大气进行精确测量,特别是微量气体占地球大气总量的不到1%。特别令人感兴趣的是甲烷,它在地球上主要是通过生物活动产生的,也是通过自然和地质过程产生的。火星快车之前已经报道了甲烷的提示,后来美国宇航局的好奇号火星车在地球表面上报告,但是迄今为止,跟踪气体轨道器的高灵敏度仪器报告了天然气的普遍缺失,加深了这个谜团。为了证实不同的结果,科学家不仅要研究甲烷是如何产生的,还要研究甲烷在地表附近是如何被破坏的。然而,并非所有的生命形式都会产生甲烷,并且带有地下钻的漫游车将有希望能够告诉我们更多。当然,继续探索红色星球将有助于我们了解火星的可居住性潜力如何以及为何随着时间而变化。

探索更远

尽管从相同的成分开始,地球的邻居遭受了毁灭性的气候灾难,并且无法长时间保持他们的水。金星变得太热了,火星太冷了;只有地球才能在恰到好处的条件下成为'金发姑娘'的星球。在前一个冰河时代,我们是否接近成为火星?我们距离困扰金星的失控温室效应有多近?了解这些行星的演变及其大气的作用对于理解我们自己星球上的气候变化非常重要,因为最终相同的物理定律适用于所有行星。从我们的轨道航天器返回的数据提供了自然的提醒,即气候稳定性不是理所当然的。

无论如何,从长远来看 - 未来数十亿年 - 温室地球是老太太手中不可避免的结果。我们曾经赐予生命的恒星最终会膨胀和变亮,为地球的微妙系统注入足够的热量,让我们的海洋沸腾,沿着与邪恶的双胞胎相同的路径向它发射。

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